Melhoria da Qualidade Heterojunction em Cu ₂ O baseados em células solares através da optimização da Pressão atmosférica Camada Espacial Atomic Depositado
Zn _X-1 Mg _x ó

Aqui apresentamos um protocolo para a síntese de Zn _1-x Mg _x O / Cu ₂ O heterojunções em ao ar livre a baixa temperatura através de pressão atmosférica espacial de deposição de camadas atômicas (AP-SALD) de Zn _1-x Mg _x O em óxido de cobre. Tais óxidos metálicos isolantes de elevada qualidade podem ser cultivadas numa variedade de substratos, incluindo plásticos por este método barato e escalável.

O objetivo geral deste procedimento é obter uma interface de alta qualidade em heterojunções de óxido cuproso de óxido de zinco sintetizadas fora do vácuo. Isso é obtido pela deposição da camada atômica espacial da pressão atmosférica ou AP-SALD de filmes de óxido de zinco em óxido cuproso oxidado termicamente. A ALD espacial atmosférica é uma técnica de impressão de óxido que permite a deposição de filmes de óxido isolante com controle preciso de espessura em seu próprio processo duplo compatível à pressão atmosférica e baixa temperatura.

Nosso sistema ALD espacial de pressão atmosférica é ideal para a síntese rápida de óxidos metálicos multicomponentes de alta qualidade, uniformes, cristalinos e multicomponentes para eletrônicos, conforme demonstrado para óxido de zinco e magnésio neste trabalho. Primeiro, corte uma folha de cobre de 0,127 milímetros de espessura em quadrados de 13 por 13 milímetros e limpe sonicando em acetona. Seque os quadrados de folha de cobre com uma pistola de ar para remover a acetona residual.

Em seguida, coloque os substratos secos em um cadinho de alumínio e coloque o cadinho em uma fornalha. Aqueça os quadrados de folha de cobre a 1.000 graus Celsius com um fluxo contínuo de argônio. Monitore o ambiente de gás no forno com o analisador de gás durante toda a oxidação.

Quando uma temperatura de 1.000 graus Celsius for atingida, introduza oxigênio no forno a uma taxa de fluxo para obter uma pressão parcial de 10.000 partes por milhão de oxigênio e mantenha por pelo menos duas horas. Após duas horas, desligue o fluxo de oxigênio. Com o gás argônio fluindo, resfrie o forno a 500 graus Celsius.

Triture os substratos oxidados pela retirada rápida dos cadinhos do forno. Em seguida, mergulhe-os em água deionizada para esfriar. Em seguida, grave um lado dos substratos aplicando repetidamente uma gota de ácido nítrico diluído para remover qualquer óxido cúprico da superfície.

Continue gravando até que nenhuma película cinza seja visível na superfície do óxido cúprico. Imediatamente após a corrosão, enxágue cada substrato em água deionizada e sonice em isopropanol, depois seque os substratos com uma pistola de ar. Depois de depositar o ouro no lado gravado dos substratos, grave o outro lado dos substratos em ácido nítrico diluído aplicando uma gota de ácido na superfície, certificando-se de não gravar o eletrodo de ouro do outro lado.

Após enxaguar e secar os substratos, cubra-os com uma tinta isolante preta usando um pincel, deixando uma área não mascarada de aproximadamente 0,1 centímetros quadrados como a área ativa da célula solar. Cubra o eletrodo de ouro na parte de trás com um marcador. Depois de configurar o reator AP-SALD, ajuste a taxa de borbulhamento através do precursor de dietil zinco para 6 mililitros por minuto e 200 mililitros por minuto através do precursor de magnésio para depositar óxido de zinco e magnésio.

Em seguida, defina a vazão do gás transportador de nitrogênio para a mistura precursora de metal para 100 mililitros por minuto e borbulhe nitrogênio através de água deionizada, que serve como oxidante, diluída com gás nitrogênio fluindo a 200 mililitros por minuto. Agora, flua nitrogênio a 500 mililitros por minuto para o coletor de gás. Mantenha o coletor de gás a uma temperatura de 40 graus Celsius através da circulação de água.

Em seguida, aqueça o stage ou placa móvel até a temperatura desejada. Defina o tamanho da amostra, a velocidade do cilindro e o número de oscilações com o software que controla o cilindro. Deposite o óxido desejado em uma lâmina de vidro por 400 oscilações ou até que um filme claro, espesso e homogêneo possa ser visto.

Após a deposição, coloque o substrato em uma máscara de vidro e coloque-o sob o coletor de gás. Ajuste a altura da cabeça, ou coletor de gás, para 50 micrômetros acima do substrato. Depositar as películas de óxido de zinco e magnésio abrindo primeiro a válvula do borbulhador precursor de magnésio e, em seguida, a válvula do borbulhador precursor de zinco.

Em seguida, comece a mover a placa sob o coletor de gás clicando em Iniciar Deposição no software. Abra o borbulhador de água somente após escanear o substrato com cinco oscilações de precursores metálicos para evitar a exposição da superfície do óxido cuproso ao oxidante durante o aquecimento. Quando a deposição terminar, remova os substratos da placa aquecida o mais rápido possível e feche as válvulas borbulhadoras dos precursores metálicos.

Limpe os canais de gás no coletor com uma lâmina para remover qualquer pó de óxido depositado. É importante minimizar o tempo que os substratos de óxido cuproso gravados passam ao ar livre na placa aquecida, pois o crescimento do óxido cuproso na superfície é acelerado com a temperatura. Depois de pulverizar óxido de índio e estanho nos substratos, remova o marcador do eletrodo de ouro com acetona para expor o eletrodo.

Por fim, aplique contatos elétricos colando dois fios finos com pasta de prata nos eletrodos de óxido de índio e estanho e ouro. Os espectros de deflexão fototérmica de substratos de óxido cuproso gravados e não gravados mostram absorção acima de 1,4 elétron-volts antes de saturar em dois elétron-volts, o que pode ser atribuído à presença de óxido cuproso na superfície do substrato. O substrato não gravado tem uma absorção maior abaixo de dois elétron-volts, sugerindo uma camada de óxido cúprico mais espessa na superfície.

A presença de excrescências de óxido cúprico em substratos de óxido cuproso foi verificada por espectroscopia de raios-X por energia dispersiva. A imagem SEM de uma superfície de célula fotovoltaica padrão mostra protuberâncias de óxido cúprico formadas devido à exposição de óxido cuproso ao ar e oxidantes. Em contraste, a superfície do dispositivo otimizado está livre de excrescências de óxido cúprico.

Um aumento de seis vezes na eficiência do dispositivo foi alcançado por meio da otimização das condições de deposição de óxido de zinco. Dispositivos com os filmes otimizados de óxido de zinco e magnésio produziram uma eficiência ainda maior de 2,2%. Os espectros de eficiência quântica externa dos dois dispositivos diferem abaixo de 475 nanômetros, que é a faixa de comprimentos de onda absorvidos perto da interface.

A eficiência quântica externa da heterojunção feita em temperatura mais alta é menos da metade da heterojunção de temperatura mais baixa, sugerindo uma interface de qualidade inferior devido a mais óxido cúprico. A otimização das condições para o crescimento do óxido de zinco pela ALD atmosférica para óxido cuproso termicamente oxidado permitiu uma melhoria na qualidade da interface de heterojunção e no desempenho da célula solar. A mesma estratégia de otimização pode ser aplicada a células solares de óxido cuproso depositadas eletroquimicamente.

Depositamos atmosfericamente óxido de zinco e magnésio cristalino em óxido de cobre para aumentar a tensão de circuito aberto em células solares de heterojunção. Este trabalho relatou a maior eficiência até o momento de 2,2% para heterojunções de óxido cuproso obtidas fora do vácuo.